碳在周期表里位于第2周期ⅣA族(第14列)，它有4个价电子，电负性中等，它不容易丢失电子成正离子，也不容获得电子成负离子，而容易形成各式各样的共价键。碳单质有3种同素异形体。
金刚石 碳原子的4个价电子，按四面体的4个顶点方向和其他4个碳原子以C-C共价键结合，形成无限的三维骨架。两个碳原子核间距离(即C-C键长)为154pm(1.54×10-8cm=1.45 
)。
金刚石 的三维结构在各个方向都有很高的强度，在天然产物中它的硬度最高，在单质中它的熔点最高，并且不导电。
石墨 每个碳原子都按平面正三角形方向和其他3个碳原子以共价键结合，形成一个六角形平面层。C-C键长为142pm，在垂直于层的方向上，还有一个价电子以π键(见第3章)的方式将无数的平面层连结在一起，层间距为340pm。层间价电子活动比较自由，石墨的导电性、滑动性都与此结构状态有关。做铅笔芯的并不是铅而是石墨，但铅笔这个名词已沿用至今。石墨和金刚石都是碳元素的单质，由于结构不同，性质差别很大，但在一定的条件下，石墨可以变为人造金刚石，但变化条件相当苛刻——2000℃以上，1500MPa。自然界中金刚石储量不多，而新科技对这样坚硬的材料需求日益增长，促使人们进行人造金刚石的研究，并随此发展了高温高压技术。
球碳 1985年以来化学家和物理学家合作，发现了碳的第3种单质——球碳。以石墨棒为电极，在氦气氛中放电，电弧产生的碳原子团沉积在冷却反应器内壁，经分离提纯得到一种由60个C原子构成的C60分子。它的形状很像足球，碳原子位于由12个正五边形和20个正六边形组成的60个顶点处，俗称“足球烯”。C60的结构，现在已由红外光谱、电子显微镜、X射线衍射和电子衍射等多种方法测定。而这种结构的初始设想却是受到美国建筑学家Buckminster Fuller用五边形和六边形构成球形薄壳建筑结构的启发，因此也有Fullerball(富勒球)之称。后来还发现了C50，C70， C84，C120等各种各样的多面体碳分子，目前对这类物质的研究尚处于开拓阶段。它们有可能做催化剂、润滑剂、超导体等的基质材料。[美]Smalley R E，［美］Curl R F 和［英］ Kroto H W，因对开拓这个化学新领域的贡献荣获1996年诺贝尔化学奖。